Разработаны синтетически доступные и эффективные одноатомные электрокатализаторы получения высокочистого водорода

Учеными из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН, Института нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН, Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН и НИЦ «Курчатовский институт» были получены новые эффективные электрокатализаторы реакции выделения водорода, которые не содержат производные серы, известные как «каталитические яды». Полученные соединения с инкапсулированными ионами широко распространенных биометаллов – кобальта и железа – являются химически-устойчивыми моноатомными катализаторами (т.е. достигается максимальная эффективность использования металла, что соответствует принципам «экономии атомов»), перспективными для электрокаталитического получения высокочистого «зеленого» водорода для его использования в водородной и атомной энергетике, высокотехнологическом транспорте и передовой химической технологии. Результаты работы опубликованы в высокорейтинговом международном журнале Process Safety and Environmental Protection (статья выбрана для Gold Open Access).

Рост населения во всем мире и соответствующий спрос на энергию вызывают высокую потребность в возобновляемых, чистых и устойчивых источниках энергии, таких как высокочистый молекулярный водород. Он рассматривается как «зеленое» топливо и важный реагент для современной химической промышленности, и может быть получен из воды как одного из самых распространенных на Земле соединений. Таким образом вода является перспективным возобновляемым и экологически чистым ресурсом для генерации энергии и/или производства химических реагентов. Электролиз воды в электролизерах с полимерной электролитной мембраной является эффективной технологией для получения высокочистого водорода. Использование инновационных электрокатализаторов редокс-процесса 2Н⁺/Н₂ позволяет ускорить глобальный переход к углеродно-нейтральной энергетике, частично решая таким образом проблемы декарбонизации и загрязнения окружающей среды.

В настоящее время, благородные металлы платиновой группы, такие как платина, палладий, иридий, рутений и родий, широко используются в качестве электрокатализаторов для получения водорода путем электролиза кислых водных растворов. Однако массовое применение этих редких и дорогостоящих металлов в водородной энергетике, инновационных технологических процессах, современных отраслях промышленности и экологически чистом транспорте приводит к увеличению их потребления. Высокая стоимость и низкая распространенность в природе металлов платиновой группы также ограничивают практическое использование соответствующих устройств и технологий. Переход к более распространенным соединениям неплатиновых металлов в полупромышленных электролизерах воды, топливных элементах и электрохимических водородных компрессорах/концентраторах позволит сделать эти процессы и устройства, основанные на использовании высокочистого водорода, более доступными.

Авторы работы предложили использовать вместо металлов платиновой группы так называемые клеточные комплексы (клатрохелаты) с инкапсулированными ионами железа и кобальта. В частности, впервые были получены безсерные макробициклические соединения этого типа.

Результаты исследования прокомментировал заведующий Лабораторией нанобиоматериалов и биоэффекторов для тераностики социально-значимых заболеваний ИОНХ РАН, доктор химических наук, профессор Ян Волошин: «Было установлено, что синтезированные нами клеточные комплексы являются моноатомными электрокатализаторами реакции выделения водорода в гомогенных растворах. Они хорошо адсорбируются на активированном угле и восстановленном оксиде графена – практически важных углеродных катодных материалах с высокой площадью поверхности и большим объемом микропор. Полученные нанесенные одноатомные металлокомплексные электрокатализаторы могут быть использованы вместо частиц платиновых металлов для высокоэффективного получения высокочистого водорода. Гибридные органо-неорганические каталитические системы с иммобилизованными моноатомными клатрохелатными электрокатализаторами имеют существенно увеличенную поверхностную концентрацию электрокаталитически-активных инкапсулированных металлоцентров. Мы установили, что электрохимически-генерированные восстановленные клеточные комплексы кобальта являются каталитически активными и устойчивыми интермедиатами, наиболее перспективными для их практического использования. Немаловажно и то, что новые одноатомные электрокатализаторы были получены в соответствии с основными принципами «зеленой химии». Они являются производными распространенных и дешевых биометаллов – железа и кобальта, малотоксичны и обеспечивают максимально высокую эффективность использования каталитической активности атомов этих металлов».

На следующем этапе исследований полученные инновационные гибридные органо-неорганические каталитические материалы будут протестированы в полупромышленных электролизерах воды.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (№ 24-13-00230).